A brief introduction is given on the conditional moment closure model for turbulent nonpremixed combustion. It is based on the transport equations derived through a rigorous mathematical procedure for the conditionally averaged quantities and appropriate modeling forms for conditional scalar dissipation rate, conditional mean velocity and reaction rate. Examples are given for prediction of NO and OR in bluffbody flames, soot distribution in jet flames and autoignition of a methane/ethane jet to predict the ignition delay with respect to initial temperature, pressure and fuel composition. Conditional averaging may also be a powerful modeling concept in other approaches involved in turbulent combustion problems in various different regimes.
The CH* chemiluminescence of premixed flames and their dependency on fuel types has been experimentally investigated on laminar methane and propane premixed flames. The measured chemiluminescence intensities are observed linearly proportional to the fuel flow rate, which could be interpreted as the CH* chemiluminescence signal is linearly proportional to the heat release rate under fuel lean conditions. The effect of equivalence ratio could be expressed by an exponential function as ${I_{CH*}}^{\propto}\;a_1\;{\exp}(b_1{\Phi})$, where $a_1\;=\;0.00054$ and $b_1\;=\;4.60$ for methane and $a_1\;=\;0.0056$ and $b_1\;=\;5.02$ for propane. Oscillating flames showed the temporal fluctuation of chemiluminescence intensity: however, the time averaged values are virtually identical to those of quiescent flames under the same fuel flow rate and equivalence ratio conditions. This observation suggests that there is no significant flame stretch effect on chemiluminescence intensity, in average values.
To reveal the newly found liftoff height behavior of hydrogen jet, we have experimentally studied the stabilization mechanism of turbulent, lifted jet flames in a non-premixed condition. The objectives of the present research are to report the phenomenon of a liftoff height decreasing as increasing fuel velocity, to analyse the flame structure and behavior of the lifted jet, and to explain the mechanisms of flame stability in hydrogen turbulent non-premixed jet flames. The velocity of hydrogen was varied from 100 to 300m/s and a coaxial air velocity was fixed at 16m/s with a coflow air less than 0.1m/s. For the simultaneous measurement of velocity field and reaction zone. PIV and OH PLIF technique was used with two Nd:Yag lasers and CCD cameras. As results, it has been found that the stabilization of lifted hydrogen diffusion flames is related with a turbulent intensity, which means that combustion occurs where the local flow velocity is valanced with the turbulent flame propagation velocity.
Newbold, Greg J.R.;Nathan, Graham J.;Nobes, David S.;Turns, Stephen R.
한국연소학회지
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제7권1호
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pp.8-14
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2002
Measurements of global emissions, flame radiation and flame dimensions are presented for unconfined turbulent-jet and precessing-jet diffusion flames. Precessing jet flames are characterised by increases in global flame radiation and global flame residence time for methane and propane fuels, however a strong dependency of the NOx emission indices on the fuel type exists. The fuel type dependence is considered to be because soot radiation is more effective than gas-radiation at reducing global flame temperatures relative to adiabatic flame temperatures and reducing the NO production rate.
Using a counterflow burner, downstream interactions between $CH_4$-air and $H_2/N_2$-Air premixed flames with various equivalence ratios has been experimentally investigated. Flame stability maps on triple and twin flames are provided in terms of global strain rate and equivalence ratio. Lean and rich flammable limits are examined for methane/air and hydrogen/nitrogen/air mixtures over the entire range of mixture concentrations in the interacting flames. Results show that these flammable limits can be significantly modified in the presence of interaction such that mixture conditions beyond the flammability limit can be still burn if it is supported by stronger flame. The experiment also discusses various oscillatory instabilities in a stability map.
Numerical simulations of freely propagating premixed flames burning mixtures of methane and chlorinated hydrocarbons in fuel are performed at atmospheric pressure in order to understand the effect of chlorinated hydrocarbons on the formation of nitrogen oxide. A detailed chemical reaction mechanism is used, the adopted scheme involving 89 gas-phase species and 1017 elementary forward reaction steps. Chlorine atoms available from chlorinated hydrocarbons inhibit the formation of nitrogen oxides by lowering the concentration of radical species. The reduction of NO emission index calculated with thermal or prompt NO mechanism is not linear and is probably related to the saturation effect as $CH_3Cl$ addition is increased, In the formation or consumption of nitrogen oxide, the $NO_2$ and NOCl reactions play an important role in lean flames while the HNO reactions do in rich flames. The molar ratio of Cl to H in fuel has an effect on the magnitude of NO emission index.
The present study numerically investigate detailed flame structure of the Syngas diffusion flames. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interaction and the spatial inhomogeneity of scalar dissipation rate, the Eulerian Particle Flamelet Model(EPFM) with multiple flamelets has been applied to simulate the combustion processes and NOx formation in the syngas turbulent nonpremixed flames. And level-set approach is also utilized to account for the partially premixing effect at fuel and oxidizer injector in KEPRI nonpremixed combustor. Based on numerical results, the detailed discussion has been made for the precise structure and NOx formation characteristics of the turbulent syngas nonpremixed flames.
Characteristics of laminar lifted flames of propane highly-diluted with nitrogen have been investigated at various temperatures of coflow air. At various fuel mole fractions, the base of laminar lifted flames has the structure of tribrachial (or triple) flame. The liftoff heights are correlated well with the stoichiometric laminar burning velocity considering initial temperature at a given coflow velocity. It shows that lifted flames are stabilized on the basis of the balance mechanism between local flow velocity and the propagation speed of tribrachial flame, regardless of the temperature of coflow and fuel mole fraction. Lifted flames exist for a jet velocity even smaller than the stoichiometric laminar burning velocity, and liftoff velocity increases more rapidly than stoichiometric laminar burning velocity as coflow temperature increases. These can be attributed to the buoyancy effect due to the density difference.
This study has numerically modelled the combustion processes of the turbulent swirling premixed lifted flames in the low-swirl burner (LSB). In these turbulent swirling premixed flames, the four tangentially-injected air jets induce the turbulent swirling flow which plays the crucial role to stabilize the turbulent lifted flame. In the present approach, the turbulence-chemistry interaction is represented by the level-set based flamelet model. Two-dimensional and three-dimensional computations are made for the various swirl numbers and nozzle length. In terms of the centerline velocity profiles and flame liftoff heights, numerical results are compared with experimental data The three-dimensional approach yields the much better conformity with agreements with measurements without any analytic assumptions on the inlet swirl profiles, compared to the two-dimensional approach. Numerical clearly results indicate that the present level-set based flamelet approach has realistically simulated the structure and stabilization mechanism of the turbulent swirling stoichiometric and lean-premixed lifted flames in the low-swirl burner.
The CO emission characteristics of interacting hydrogen and methane partially premixed flames were numerically investigated. A counterflow geometry was introduced to establish interacting two partially premixed flames. An one-dimensional OPPDIF code was used to simulate the interacting flames. The GRI-v3.0 was used to calculate the chemical reactions. Emission index for CO(EICO) was evaluated to quantify the CO emitted from the interacting flames. The global strain rate and equivalence ratios for each flame(${\Phi}_{CH_4}$ and ${\Phi}_{H_2}$) were used as parameters to control the extent of interaction between two partially premixed flames. When ${\Phi}_{CH_4}$ was kept to stoichiometric condition and ${\Phi}_{H_2}$ was at rich condition, unburned H2 species of hydrogen flame was transported to the methane flame and affected reactions related with CO formation. When ${\Phi}_{CH_4}$ increased from a stoichiometry to rich condition while ${\Phi}_{H_2}$ was kept to stoichiometric condition, EICO increased initially, had a peak value at ${\Phi}_{CH_4}=1.5$ and decreased gradually. This could be elucidated with an analysis for the elementary reactions related with CO formation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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